黑洞是宇宙級量子計(jì)算機(jī)？信息或?qū)⒉恍?/span>

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霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞蒸發(fā)是理論物理學(xué)家面臨的巨大難題：廣義相對論認(rèn)為黑洞必須摧毀信息；量子力學(xué)認(rèn)為這不可能，因?yàn)樾畔⒈仨氂肋h(yuǎn)存在。廣義相對論和量子力學(xué)都是經(jīng)受了驗(yàn)證的理論，但在這個(gè)問題它們卻拒絕統(tǒng)一。這一沖突揭示的是比黑洞的看似古怪的特征更基本的問題：信息悖論表明，物理學(xué)家仍然尚未弄清大自然的基本定律。

不過來自慕尼黑德維希 -馬克西米利安大學(xué)的物理教授 Gia Dvali 相信，他已經(jīng)找到了解決方法。他表示：「黑洞是量子計(jì)算機(jī)。我們面對的是明確的信息處理序列�！� 如果他是正確的，那么悖論將被消除，而信息確實(shí)是不朽的。但更令人吃驚的也許是概念背后的實(shí)際意義。我們也許可以通過黑洞物理建立自己未來的量子計(jì)算機(jī)。

信息在黑洞中難以恢復(fù)的主要原因是，它們基本是無特征的類球狀體，在視界上沒有物理屬性；正如已故的美國物理學(xué)家約翰·惠勒所言，它們「無發(fā)絲」 ( No Hair )。標(biāo)準(zhǔn)論點(diǎn)表示，你不能把信息儲(chǔ)存在沒有特征以供編碼的東西上。而這是錯(cuò)誤的。Dvali 說：「所有認(rèn)為黑洞無發(fā)絲的定理都是錯(cuò)的�！顾�和同事們認(rèn)為，迄今為止尚未被發(fā)現(xiàn)的承載引力并且組成時(shí)空的量子—— 引力子在黑洞中無處不在，而它們產(chǎn)生了儲(chǔ)存和釋放信息的「量子發(fā)絲」(Quantum Hair) 。

這項(xiàng)新研究建立在量子理論的一個(gè)反直覺特征上：量子效應(yīng)不一定只在微觀尺度上存在。的確，這些效應(yīng)很脆弱，并在像地球這樣溫暖和繁忙的環(huán)境中會(huì)迅速被消滅。這是為什么它們不常見的原因。這也是開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的主要挑戰(zhàn)：它使用粒子的量子態(tài)處理信息，而非同傳統(tǒng)晶體管的開關(guān)邏輯。不過在寒冷和與世隔絕的地方，量子行為可以長距離保持，足以橫跨幾十到數(shù)十億公里的黑洞視界。

你甚至不需要到外太空才可以見證到長距離的量子效應(yīng)。黑洞量子發(fā)絲所需的超大距離和質(zhì)量讓制造一個(gè)黑洞量子發(fā)絲超出了我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�，但是通過將原子冷卻至低于一萬分之一開氏度（即比絕對零度高萬分之一開氏度），研究員將十億個(gè)原子——延伸在數(shù)毫米的范圍里——凝聚至單一量子態(tài)。對集體量子行為來說，這已是個(gè)巨大的數(shù)目。

這樣的一個(gè)宏觀量子狀態(tài)——即玻色–愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate），以印度物理學(xué)家 Satyendra Bose 和 Albert Einstein 命名——目前是創(chuàng)造可行量子計(jì)算機(jī)最有前景的工具之一。玻色–愛因斯坦凝聚中的量子效應(yīng)，例如可以同時(shí)存在于兩個(gè)地方的能力，能夠穿過整個(gè)凝聚，并生成許多互相作用的狀態(tài)。如果研究員能夠穩(wěn)定凝聚態(tài)并控制這些狀態(tài)，極其強(qiáng)大的信息處理能力將成為可能。不僅如此，玻色–愛因斯坦凝聚還可能揭開盤桓數(shù)十年的黑洞信息蒸發(fā)之謎。

Dvali 指出，如果黑洞由經(jīng)歷玻色–愛因斯坦凝聚的引力——即凝聚的引力的水坑——所組成，那么霍金所提出的信息謎題也許可以找到一個(gè)自然解決方案。這個(gè)想法也許聽起來瘋狂，但是對于 Dvali 來說，這是一個(gè)有著完美邏輯的結(jié)論，它凝結(jié)了自從霍金第一次拋出了謎題以來許多物理學(xué)家對于黑洞的研究。理論學(xué)家知道如何計(jì)算黑洞能夠儲(chǔ)存的信息量大小：他們還發(fā)現(xiàn)了黑洞可以迅速地重新分配或「攪亂」信息。最終，他們計(jì)算出了信息該以多快的速率逃離黑洞才能避免與量子力學(xué)的沖突。

從2012年開始，Dvali 探索了這些不同的特性，并驚訝地發(fā)現(xiàn)一種特殊的玻色–愛因斯坦凝聚具有與黑洞相同的基本特征。為了模仿黑洞的行為，凝聚必須停留在一個(gè)過渡點(diǎn)——也稱為量子臨界點(diǎn)——在這個(gè)點(diǎn)上擴(kuò)散的波動(dòng)正好在量子坍塌之前跨越流體。Dvali 計(jì)算過，這樣的量子臨界凝聚態(tài)與黑洞有著相同的熵、攪亂能力以及釋放時(shí)間：它正好有著正確的量子發(fā)絲。他說道：「有人會(huì)說這是一個(gè)巧合，但是我認(rèn)為它是最強(qiáng)力的數(shù)學(xué)證據(jù)——黑洞其實(shí)就是玻色–愛因斯坦凝聚�！�

將黑洞與一種實(shí)驗(yàn)室能夠創(chuàng)造出來的事物聯(lián)系起來，這意味著 Dvali 的想法的某些方面可以在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行研究。Immanuel Bloch 是慕尼黑普朗克研究所的物理學(xué)教授，他有關(guān)于玻色–愛因斯坦凝聚的第一手經(jīng)驗(yàn)。他在「光晶體」——通過多個(gè)激光束的相交制造出的光學(xué)格子——中凝聚原子，然后利用一種叫做熒光成像的技術(shù)捕捉凝聚態(tài)。結(jié)果圖像非常優(yōu)美地揭開了原子的相關(guān)量子行為的秘密。

Bloch 認(rèn)為，Dvali 的想法雖然來自與他完全不同的領(lǐng)域，卻也非常有趣�！肝覍�Gia 的提議感到相當(dāng)興奮。我覺得那是很新的東西，」Bloch 表示，「人們已經(jīng)觀測到相 互作用的凝聚體的坍縮動(dòng)力過程，但迄今為止，沒有人研究過量子臨界點(diǎn)，以及那里會(huì)發(fā)生什么�！�

「在BEC（玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)）中，你能看到宏觀的量子波，這就意味著量子數(shù)有大量波動(dòng)。這就是為什么，一般來說 BEC 看起來就像瑞士奶酪�！顾�補(bǔ)充道。不過，要是加入磁場，Bloch 就能改變原子相互作用的強(qiáng)度，這樣就能誘導(dǎo)形成有序的格子結(jié)構(gòu)�！脯F(xiàn)在，你讓那些原子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，然后得到（非常有序的）Mott 態(tài)。這對量子計(jì)算來說是非常好的狀態(tài)，因?yàn)樾纬闪擞幸?guī)律的陣列。你還可以用激光照射這些原子，讓它們旋轉(zhuǎn)，改變它們的自旋（來編碼和處理信息）�！�

根據(jù) Dvali 的說法，黑洞物理學(xué)揭露了一個(gè)更好地在 BEC 中儲(chǔ)存信息的方式，即利用不同的量子態(tài)。黑洞是物理學(xué)家已知的最簡單、最緊致、最有效的信息儲(chǔ)存設(shè)備。因此，利用黑洞的編碼協(xié)議可能是在以凝聚態(tài)為基礎(chǔ)的量子計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存信息的最好方法。

而在 Bloch 看來，在實(shí)驗(yàn)室里制造出模擬黑洞的凝聚態(tài)是可行的：「（在黑洞中）相互作用的強(qiáng)度會(huì)自我調(diào)節(jié)。我們可以模擬這樣的情形，方法是把相互作用強(qiáng)度調(diào)節(jié)到凝聚態(tài)將要坍縮的臨界點(diǎn)。隨著你越來越接近量子臨界點(diǎn)，漲落會(huì)變得越來越強(qiáng)烈。這樣就能模擬黑洞的系統(tǒng)，能夠研究關(guān)于量子漲落和非均衡狀態(tài)的一切，只需在高空間分辨率下觀察處于合適位置的凝聚態(tài)就可以了。」

然而，單單認(rèn)識(shí)到 Dvali 的觀點(diǎn)有成立的可能性，并不意味著它實(shí)際成立�！杆�和許多學(xué)界現(xiàn)有的許多觀點(diǎn)相沖突。目前為止，我對該觀點(diǎn)有更多的質(zhì)疑而不是信心�！笲loch 說道。他同時(shí)指出，高效的信息存儲(chǔ)是很好的，但是對于目前量子計(jì)算機(jī)來說，「信息的容納能力并不是個(gè)問題。」他認(rèn)為最大的挑戰(zhàn)不是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而是尋找到一種數(shù)據(jù)處理的方式，能單獨(dú)控制 Dvali 定義的量子狀態(tài)。除此之外，還有許多其他障礙�！戈P(guān)于 Dvali 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)理論，有太多因素我們不了解了，比如它是否具有抗干擾性？」Bloch 寫到。「對于我來說，更有趣的地方是在于這個(gè)理論對引力物理學(xué)的影響。」比起在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，這個(gè)觀點(diǎn)的意義更適用于引力物理學(xué)。

Dvali 對引力與凝聚態(tài)物理之間關(guān)系的研究，掀起了一股對新領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究的熱潮。在傳統(tǒng)的愛因斯坦理論中，物理學(xué)家普遍認(rèn)為扭曲的時(shí)空只是作為物質(zhì)存在和相互作用的一個(gè)場地。但現(xiàn)有幾個(gè)相互獨(dú)立的研究均表明也許時(shí)空并不是像我們想象的那樣毫無作為。引力也許能從非引力物理中產(chǎn)生。

在過去的幾十年，無數(shù)引力與某些流體之間的影響實(shí)驗(yàn)證明了有集體量子行為的系統(tǒng)能模仿時(shí)空扭曲，并且遵循愛因斯坦廣義相對論中的那些公式。但是目前沒有任何理論進(jìn)路去探索，在假定時(shí)空是一個(gè)凝聚體的情況下能否完整地推導(dǎo)出廣義相對論。甚至，人們還不能斷定這種時(shí)空凝聚的狀態(tài)是否存在。不過，這些新發(fā)現(xiàn)的關(guān)系仍然讓物理學(xué)家們能夠研究那些能夠被原子凝聚態(tài)所模擬的引力系統(tǒng)。

用凝聚態(tài)來模擬引力需要物理學(xué)家們探索實(shí)驗(yàn)室以外的新領(lǐng)域，比如黑洞視界。雖然霍金射線從未在真實(shí)的黑洞被觀測到，但在玻色-愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)的模擬黑洞中探測到了類似的射線。當(dāng)然，這些凝聚體并不是真的黑洞，它們只能吸收聲波，而不是光波。但是它們和真正的黑洞應(yīng)該遵循著某些相似的數(shù)學(xué)定律。這些凝聚體也許確實(shí)在某種意義上進(jìn)行著若換成其他方式則將十分復(fù)雜難解的物理運(yùn)算。

「我們更愛討論『量子模擬』，并用這些系統(tǒng)去尋找那些傳統(tǒng)電腦難以模擬計(jì)算的有趣現(xiàn)象�！笲loch 說道，「我們同樣致力于運(yùn)用這些系統(tǒng)去測驗(yàn)其他的系統(tǒng)，例如模擬黑洞或希格斯粒子的二維度�！乖�2012年的自然日報(bào)中，布洛赫與他的同事發(fā)表了一篇實(shí)驗(yàn)報(bào)告，他們的量子模擬實(shí)驗(yàn)揭示了類似希格斯的粒子能同時(shí)在兩個(gè)維度存在。這項(xiàng)技術(shù)原則上同樣能用在研究玻色-愛因斯坦凝聚與黑洞的相似性上。

然而，運(yùn)用黑洞的物理特性來建立新的量子計(jì)算機(jī)協(xié)議和判斷黑洞天體是否真的是引力子的凝聚體是完全不同的兩碼事。在慕尼黑的 Dvali 的同事，理論宇宙學(xué)家 Stefan Hofmann 說：「如果沒人能實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)這個(gè)想法，我是不會(huì)關(guān)注它的�！�

Hofmann 因此投入了許多時(shí)間，希望能探索的黑洞作為引力子凝聚體的可觀察后果。Hofmann 同意 Dvali 的觀點(diǎn)：「雖然這么說不禮貌，但是黑洞沒有『發(fā)絲』的理論就是一堆垃圾。」 Hofmann 認(rèn)為，黑洞水平面周圍的量子發(fā)絲某種程度上改變了廣義相對論的預(yù)言。當(dāng)黑洞發(fā)射的引力波在形成和碰撞的時(shí)候這種改變尤其明顯，應(yīng)該可以通過手段探測到�！缸罾硐氲那闆r就是兩個(gè)黑洞進(jìn)行合并�！笻ofmann 在2015年的一個(gè)研討會(huì)中說道。而這種霍爾曼的理想情況出現(xiàn)了，LIGO 合作機(jī)構(gòu)在最近宣布他們第一次測量到了從一對正在融合的黑洞中發(fā)射出的引力波。

雖然 Hofmann 和他的同事們尚未作出量化的預(yù)測，但是由于宏觀的量子效應(yīng)，Dvali 對信息丟失問題的解釋應(yīng)該很快就能被實(shí)驗(yàn)檢測。然而，黑洞完全等同于玻爾-愛因斯坦凝聚，在量子臨界凝聚引力子的觀點(diǎn)又帶來了許多新的問題。首先，Dvali 的計(jì)算無法解釋那些落入黑洞中的物質(zhì)到底發(fā)生了什么。同時(shí)，Hofmann 也承認(rèn)了由于不再適用我們所熟悉的廣義相對論框架，尚不清楚一個(gè)對象何以能成為傳統(tǒng)意義上的「黑洞」。

來自馬賽大學(xué)的 Carlo Rovelli 認(rèn)為，盡管還不完善，Dvali 的黑洞凝聚觀點(diǎn)還是很有科學(xué)意義的�！杆麄冞\(yùn)用了苛刻的逼近算法，雖然這種算法可能在錯(cuò)過某些方面，但在一定程度上是可行的，特別在長波長的區(qū)域。對于低頻率量子在時(shí)空上的波動(dòng)，這種做法可能并不算荒唐。」 羅威利說道。他還提醒到，這個(gè)凝聚模型還是無法完全解釋黑洞里到底發(fā)生了什么。

很明顯的是，這個(gè)研究揭示了一種前所未見的、富有成果的物理關(guān)系�！肝覀儗α孔有畔⒑秃诙次锢硖匦灾�間的聯(lián)系抱有極大的熱情，這個(gè)問題是我們之前是從未討論過的。」Dvali 說道。如果他是對的，將會(huì)對現(xiàn)有理念產(chǎn)生巨大的影響和沖擊。信息確實(shí)永存。在這個(gè)意義上，我們是不朽的。位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，實(shí)際上是一個(gè)宇宙級量子計(jì)算機(jī)。